付軍喜

(廣東省南粵交通投資建設(shè)有限公司，廣州 510623)

0 引言

高墩大跨混凝土連續(xù)剛構(gòu)橋在山區(qū)和跨海道路中應(yīng)用廣泛,這種橋型由于墩高和跨度大等特點(diǎn)，在施工過程中需要重點(diǎn)關(guān)注。已有工程案例表明，由于較大施工誤差導(dǎo)致結(jié)構(gòu)線型偏差和內(nèi)力變化，將對連續(xù)剛構(gòu)橋的長期運(yùn)營安全產(chǎn)生不利影響，甚至導(dǎo)致過度撓曲和開裂的病害問題。因此，開展科學(xué)合理的監(jiān)控配合施工，實(shí)現(xiàn)施工安全和達(dá)到設(shè)計(jì)預(yù)期的內(nèi)力和線型狀態(tài)，是結(jié)構(gòu)長期運(yùn)營安全的前提保障。

高墩大跨混凝土連續(xù)剛構(gòu)橋的施工控制理論自上世紀(jì)提出以來得到了系統(tǒng)的發(fā)展，在施工過程模擬、結(jié)構(gòu)線形控制等方面取得了豐碩的研究成果。近年來，隨著傳感技術(shù)的發(fā)展，在施工現(xiàn)場布設(shè)各類傳感器監(jiān)測結(jié)構(gòu)施工全過程狀態(tài)的方法愈發(fā)成熟。施工現(xiàn)場產(chǎn)生大量帶有冗余性的數(shù)據(jù)，通過合理的施工控制流程、測試方案和分析方法，充分挖掘監(jiān)測數(shù)據(jù)的信息，可以進(jìn)一步提高結(jié)構(gòu)施工監(jiān)控對施工過程的協(xié)助作用。本文結(jié)合大埠河大橋的施工監(jiān)控介紹在這方面的探索工作。

1 工程概況

大埠河大橋主橋?yàn)?2m+150m+82m連續(xù)剛構(gòu)橋，雙幅分離布置。上部結(jié)構(gòu)采用預(yù)應(yīng)力混凝土變截面箱梁形式，C55混凝土。箱梁頂板寬12.5m、底板寬6.2m，箱梁頂面設(shè)2%單向橫坡，底板水平，梁底按照1.8次拋物線變化。雙幅4個(gè)主墩高度分別為71.98m、71.76m、69.82m和67.35m，C50混凝土。截面采用箱型，平面尺寸為5.0m×6.2m(橫橋向×順橋向)，壁厚1m，墩底8m和墩頂3m范圍內(nèi)為實(shí)心，1/2墩高位置，設(shè)置1m高隔板。結(jié)構(gòu)整體布置如圖1所示。

主梁采用掛籃式平衡懸臂現(xiàn)澆施工，共劃分為16個(gè)塊段。其中0#塊長11m，采用托架現(xiàn)澆施工；1-14#號塊段采用掛籃懸臂施工，主梁最大懸臂端為74m；15#號為合攏段，長度為2m；16#塊段為邊跨現(xiàn)澆段，長度為4m。橋墩采用分段爬模施工，共分為17個(gè)節(jié)段，第一個(gè)節(jié)段高4.65m，第二至第十五節(jié)段高度均為4.5m，最后一個(gè)節(jié)段高度3m。下部結(jié)構(gòu)左右幅分別對應(yīng)起始編號XY和XZ。

圖1 大埠河大橋整體布置(單位：m)

2 施工監(jiān)控技術(shù)和測點(diǎn)布置

高墩大跨連續(xù)剛構(gòu)橋施工過程控制主要包括橋墩施工控制和主梁施工控制等。目前，成熟的控制理論和方法包括反饋控制、自適應(yīng)控制等。在核心的參數(shù)識別和狀態(tài)預(yù)測中，大量研究已經(jīng)形成了包括卡爾曼濾波法、灰色系統(tǒng)理論法、最小二乘法、神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)等手段。

對于高墩施工，墩身的垂直度和平面偏位是施工控制的關(guān)鍵。我國《公路橋涵施工技術(shù)規(guī)范》對墩臺施工的位移控制有明確的要求。同時(shí)，由于橋墩高，導(dǎo)致施工過程對非對稱荷載更為敏感，增加了施工風(fēng)險(xiǎn)。因此，對橋墩根部關(guān)鍵截面的應(yīng)力變化進(jìn)行監(jiān)控也十分重要。

根據(jù)后期數(shù)據(jù)分析和挖掘的需求，施工監(jiān)控測點(diǎn)布置和采集方法還應(yīng)從以下幾方面考慮：(1)測點(diǎn)布置宜采用對稱布置，形成具有相互參照對照的測試組；(2)從數(shù)據(jù)可靠性和后期測點(diǎn)損毀的角度設(shè)置冗余測點(diǎn)；(3)在可能的情況下可采用低頻率的連續(xù)采集的方式，獲得更多的施工監(jiān)控?cái)?shù)據(jù)。

需要強(qiáng)調(diào)的是，引入數(shù)據(jù)挖掘技術(shù)的目的是更好地利用現(xiàn)有的施工監(jiān)控?cái)?shù)據(jù)，而不是為了進(jìn)行數(shù)據(jù)挖掘而無限制地增加原有的施工監(jiān)控測點(diǎn)。因此，在一般施工監(jiān)控測點(diǎn)布置的基礎(chǔ)上應(yīng)進(jìn)行針對性的測點(diǎn)布置，在測試方法的選擇上也應(yīng)以現(xiàn)場的實(shí)際情況和經(jīng)費(fèi)預(yù)算為主要考量。

對于主梁施工，在懸澆過程中懸臂長度不斷增加，懸臂根部受到的彎矩不斷加大，懸澆過程的不完全對稱施工使懸臂根部的受力更加復(fù)雜。因此，需要及時(shí)監(jiān)測臨時(shí)支撐和箱梁關(guān)鍵斷面的應(yīng)力變化，掌握結(jié)構(gòu)的受力狀態(tài)，為評估結(jié)構(gòu)安全和施工安全提供依據(jù)。

通過埋設(shè)應(yīng)力、溫度、壓力傳感器，可以達(dá)到以下目的：(1)提供某些施工關(guān)鍵工況的必要信息，比如混凝土澆筑、預(yù)應(yīng)力張拉等工況的結(jié)構(gòu)響應(yīng)；(2)提供施工控制反饋分析的基本信息；(3)為運(yùn)營階段的結(jié)構(gòu)長期觀測服務(wù)。

應(yīng)力測點(diǎn)布置的原則是：(1)通過施工模擬計(jì)算，得到施工全過程的應(yīng)力包絡(luò)圖，從而明確最危險(xiǎn)的位置，這是選擇應(yīng)力測試斷面的基礎(chǔ)；(2)力求順橋向、橫橋向?qū)ΨQ布置，以增加結(jié)果的可靠性和可比性；(3)截面的選取應(yīng)避開圣維南區(qū)；(4)兼顧交(竣)工荷載試驗(yàn)和結(jié)構(gòu)健康監(jiān)測的需要。

大埠河大橋主墩和主梁施工的典型監(jiān)測測點(diǎn)布置如圖2和圖3所示。

圖2 大埠河大橋橋墩典型監(jiān)控內(nèi)容的測點(diǎn)布置

圖3 大埠河大橋主梁典型監(jiān)控內(nèi)容的測點(diǎn)布置

3 監(jiān)控?cái)?shù)據(jù)分析要點(diǎn)

受到環(huán)境干擾、傳感器精度等噪聲影響，橋梁結(jié)構(gòu)現(xiàn)場響應(yīng)監(jiān)測數(shù)據(jù)往往存在可能的誤差。為了使測試數(shù)據(jù)的可靠性更高，需要結(jié)合恰當(dāng)?shù)臄?shù)據(jù)處理方法，實(shí)現(xiàn)對監(jiān)控?cái)?shù)據(jù)的分析。這個(gè)過程可分為數(shù)據(jù)預(yù)處理、數(shù)據(jù)統(tǒng)計(jì)處理、數(shù)據(jù)對比判斷和施工控制建議等4個(gè)階段。

3.1 數(shù)據(jù)預(yù)處理

數(shù)據(jù)預(yù)處理階段可根據(jù)同一測點(diǎn)相鄰施工步下的監(jiān)測數(shù)據(jù)對比、冗余測點(diǎn)相同施工步下的監(jiān)測數(shù)據(jù)對比以及監(jiān)測數(shù)據(jù)與數(shù)值模擬結(jié)果等方法進(jìn)行比較，綜合判斷數(shù)據(jù)的合理性，剔除異常數(shù)據(jù)。與此同時(shí)，對于判斷得到的每一個(gè)異常值，均應(yīng)及時(shí)反饋施工現(xiàn)場，以排除可能的施工隱患，確保異常值的產(chǎn)生不是來自施工問題。

3.2 數(shù)據(jù)統(tǒng)計(jì)處理

數(shù)據(jù)統(tǒng)計(jì)處理主要是通過統(tǒng)計(jì)學(xué)理論，對具有冗余性的監(jiān)測數(shù)據(jù)進(jìn)行統(tǒng)計(jì)分析，以獲得代表性特征值，如平均值、最值等。通過不同的特征值綜合判斷，可以減小噪聲影響，降低由于單一監(jiān)測數(shù)據(jù)帶來的偶然誤差。

3.3 數(shù)據(jù)對比判斷

數(shù)據(jù)對比判斷階段，通過監(jiān)測數(shù)據(jù)與理論分析數(shù)值、施工內(nèi)控閾值以及規(guī)范控制數(shù)據(jù)的對比，判斷施工步下是否存在施工質(zhì)量問題和施工安全問題。相當(dāng)于在控制階段設(shè)置了多個(gè)評價(jià)指標(biāo)和標(biāo)準(zhǔn)，可提升施工控制的準(zhǔn)確度。

3.4 施工控制建議

對于判斷存在問題的數(shù)據(jù)，需要結(jié)合實(shí)際情況明確原因，并提供下一步施工處置建議。

4 橋墩施工控制數(shù)據(jù)分析

對橋墩施工過程的數(shù)據(jù)分析，可通過“3σ準(zhǔn)則”上下限值、均值、最大值、最小值、理論計(jì)算值、允許閾值等在內(nèi)的多個(gè)指標(biāo)，來綜合評價(jià)施工過程的安全性。

其中，以數(shù)據(jù)自身的統(tǒng)計(jì)特性判斷異常值，采用“3σ準(zhǔn)則”上下限值對測試數(shù)據(jù)中由于傳感器異常等原因造成的數(shù)據(jù)突變進(jìn)行自動(dòng)剔除。以理論計(jì)算值和我國規(guī)范對施工階段混凝土臨時(shí)應(yīng)力限值的80%和100%為3層次控制閾值作為結(jié)構(gòu)安全的層次控制指標(biāo)，通過最大值、最小值和均值表征的施工過程結(jié)構(gòu)響應(yīng)數(shù)據(jù)與上述控制指標(biāo)的對比分析，可以綜合判斷結(jié)構(gòu)施工過程的安全性。

除上述判別指標(biāo)外，還可結(jié)合理論計(jì)算值的誤差允許值(如±20%)、數(shù)據(jù)趨勢差異允許值等指標(biāo)輔助判斷結(jié)構(gòu)施工安全。

以大埠河大橋橋塔施工過程中的應(yīng)變監(jiān)測為例，對監(jiān)測得到的塔底四角點(diǎn)鋼筋的應(yīng)變數(shù)據(jù)進(jìn)行分析，分析結(jié)果如圖4所示。在本文分析中，應(yīng)力應(yīng)變數(shù)據(jù)均以受拉為正、受壓為負(fù)。

圖4 大埠河大橋橋塔應(yīng)變監(jiān)測數(shù)據(jù)分析

分析結(jié)果表明，4個(gè)角點(diǎn)的數(shù)據(jù)在同一施工步下的結(jié)果相近，表明施工過程中橋塔的不平衡受力狀態(tài)控制良好?！?σ準(zhǔn)則”下未發(fā)現(xiàn)異常數(shù)據(jù)，傳感器監(jiān)測結(jié)果可信。在橋墩施工過程中，測試數(shù)據(jù)和理論計(jì)算數(shù)據(jù)變化趨勢一致，數(shù)值相近，同時(shí)測試數(shù)據(jù)均未超過80%和100%規(guī)范限值，施工過程構(gòu)件強(qiáng)度得到良好保證。

在橋墩施工進(jìn)行到第5階段時(shí)，通過監(jiān)控?cái)?shù)據(jù)的分析發(fā)現(xiàn)應(yīng)變增大的趨勢明顯加劇，與前序監(jiān)測結(jié)果趨勢出現(xiàn)差異。監(jiān)控方第一時(shí)間分析理論計(jì)算結(jié)果和監(jiān)測結(jié)果突變差異的原因，首先需要排除數(shù)據(jù)差異是否由測試誤差造成。

(1)

ε修(t)=ε(t)-(T-T0)(F-F0)

(2)

式中：T為測量溫度，T0為初讀數(shù)時(shí)的溫度，F(xiàn)為結(jié)構(gòu)體線膨脹系數(shù)，F(xiàn)0為鋼弦的線膨脹系數(shù)。鋼弦的線膨脹系數(shù)為12.2με/℃，一般情況下鋼筋混凝土的線膨脹系數(shù)為10με/℃。實(shí)際混凝土的熱膨脹系數(shù)并不是一直不變，隨著環(huán)境溫度的降低，熱膨脹系數(shù)在減少，并在6με/℃～10με/℃之間變化。因此，需結(jié)合應(yīng)變測試時(shí)的溫度測量結(jié)果對應(yīng)變測試結(jié)果進(jìn)行修正。

與此同時(shí)，由于差異在測試的橋墩中均有出現(xiàn)，可能的偏差原因最終被判斷為實(shí)際混凝土彈性模量小于設(shè)計(jì)彈性模量。在及時(shí)與施工技術(shù)人員反饋和溝通后，確定了適當(dāng)減慢施工速度、進(jìn)一步加強(qiáng)混凝土養(yǎng)護(hù)的建議。施工單位采納上述建議，后續(xù)施工監(jiān)測，實(shí)測應(yīng)變結(jié)果與理論分析結(jié)果的差異逐漸縮小，實(shí)現(xiàn)了對現(xiàn)場施工質(zhì)量的有效控制。

除對應(yīng)變的監(jiān)控外，高墩施工過程中的位移監(jiān)測也是重要的控制指標(biāo)。由于高墩橋塔垂直爬模等施工工藝相對成熟，可在上述針對受力安全監(jiān)測分析方法的基礎(chǔ)上，適當(dāng)減少評價(jià)內(nèi)容，簡化監(jiān)控和評價(jià)流程。

以大埠河大橋橋塔施工過程中通過橋塔垂直度和橋塔平面偏位的監(jiān)控為例，施工過程中，通過設(shè)定關(guān)鍵測試斷面(30m、40m、50m、60m和70m)，并對其施工完成時(shí)的4個(gè)角點(diǎn)坐標(biāo)進(jìn)行監(jiān)測，得到橋塔施工進(jìn)程中的位移狀態(tài)。監(jiān)控設(shè)置了上述測試內(nèi)容與規(guī)范限值進(jìn)行對比的單一控制指標(biāo)，確保施工線型，并將變化趨勢和具體數(shù)據(jù)及時(shí)反饋施工現(xiàn)場，以及時(shí)調(diào)整可能出現(xiàn)的偏差。典型監(jiān)測結(jié)果如圖5所示。

圖5 30m和70m施工完成時(shí)截面角點(diǎn)偏位監(jiān)測結(jié)果

測試結(jié)果表明，橋塔施工過程中的垂直度保持良好，不同關(guān)鍵測試斷面的偏位均未超過施工規(guī)定限值，并有一定的冗余度。

5 主梁施工控制數(shù)據(jù)分析

連續(xù)梁橋施工過程的影響參數(shù)較多，主要的控制參數(shù)包括：掛籃變形、施工臨時(shí)荷載、日照影響、混凝土外形尺寸、預(yù)應(yīng)力張拉的狀況、混凝土彈性模量和容重、混凝土徐變影響等。計(jì)算施工控制參數(shù)的理論設(shè)計(jì)值時(shí)，假定相關(guān)參數(shù)值為理想值。為了消除因設(shè)計(jì)參數(shù)取值的不確切所引起的施工中設(shè)計(jì)與實(shí)際的不一致性，在施工過程中對這些參數(shù)進(jìn)行識別和預(yù)測，并隨著施工過程的開展，通過實(shí)測和相關(guān)試驗(yàn)對其進(jìn)行修正。根據(jù)修改后的參數(shù)進(jìn)行仿真分析，從而使計(jì)算模型與實(shí)際結(jié)構(gòu)狀況相吻合。其中最為關(guān)鍵的要屬箱梁標(biāo)高的確定，在結(jié)合有限元和現(xiàn)場實(shí)測數(shù)據(jù)的基礎(chǔ)上，對每個(gè)施工節(jié)段的立模標(biāo)高進(jìn)行計(jì)算：

(3)

在監(jiān)測過程中，除了立模標(biāo)高的給定，對施工過程中應(yīng)力等關(guān)鍵結(jié)構(gòu)相應(yīng)的監(jiān)測也十分必要。在對稱懸臂施工過程中，通過對稱測點(diǎn)布置，可在理論數(shù)據(jù)的基礎(chǔ)上進(jìn)一步通過對稱性綜合判斷結(jié)構(gòu)施工安全。

以大埠河大橋主梁監(jiān)測為例，在橋塔對稱的兩側(cè)0#塊上分別布置對稱的應(yīng)力監(jiān)測測點(diǎn)，并以其中底板腹板1號測點(diǎn)和頂板腹板5號測點(diǎn)測試結(jié)果為例，各主要施工過程中的應(yīng)力監(jiān)測結(jié)果如圖6所示。主梁應(yīng)變在施工過程中對稱位置的測試結(jié)果保持了良好的對稱性，佐證了監(jiān)測數(shù)據(jù)的可靠性和施工的作業(yè)安全。

圖6 大埠河大橋主梁典型應(yīng)力監(jiān)測結(jié)果

6 合龍和成橋數(shù)據(jù)分析

橋梁建成初始狀態(tài)往往是結(jié)構(gòu)運(yùn)營的起點(diǎn)，結(jié)構(gòu)初始狀態(tài)的數(shù)據(jù)集成已越來越受到建設(shè)和養(yǎng)護(hù)單位的重視。在連續(xù)剛構(gòu)橋梁施工合龍完成后，結(jié)構(gòu)的整體形態(tài)確定，其結(jié)構(gòu)初始數(shù)據(jù)的測試、分析和保存移交已成為一項(xiàng)重要工作。

在眾多測試數(shù)據(jù)中，主梁合龍高程偏差和橋面鋪裝厚度分布的數(shù)據(jù)對大跨度連續(xù)梁和連續(xù)剛構(gòu)橋梁至關(guān)重要。已有研究表明，鋪裝厚度增大導(dǎo)致的結(jié)構(gòu)恒載增大是導(dǎo)致大跨度連續(xù)梁橋后期梁體下?lián)喜『Φ闹饕蛑?，鋪裝層的厚度分布是后期結(jié)合其他檢測手段評估橋梁結(jié)構(gòu)運(yùn)營安全的基礎(chǔ)數(shù)據(jù)之一。

以大埠河大橋?yàn)槔谥骺缤瓿珊淆埡?，在橋面以縱橋向5m、橫橋向4m為間隔，進(jìn)行了全橋面的高程檢測，并統(tǒng)計(jì)了對應(yīng)鋪裝層的厚度分布。其中，單幅高程檢測結(jié)果如圖7所示。檢測結(jié)果表明，大埠河大橋主梁高程在橫橋向的分布趨于一致，縱橋向呈現(xiàn)邊跨低、中跨基本與設(shè)計(jì)高程一致或略高的線型控制結(jié)果。在此控制線型下，中跨不會(huì)因?yàn)殇佈b超厚而產(chǎn)生下?lián)?，同時(shí)邊跨的鋪裝適當(dāng)增加，可進(jìn)一步減少中跨下?lián)系目赡堋?/p>

圖7 合龍線型測試結(jié)果

此外，對邊跨和中跨的鋪裝層厚度進(jìn)行統(tǒng)計(jì)分析，統(tǒng)計(jì)直方如圖8所示。統(tǒng)計(jì)結(jié)果顯示，兩邊跨的鋪裝層厚度平均值分別為16.2cm、14.5cm，標(biāo)準(zhǔn)差分別為3.7cm、3.5cm；中跨鋪裝層厚度的平均值為9.9cm，標(biāo)準(zhǔn)差為2.1cm。鋪裝層厚度的統(tǒng)計(jì)結(jié)果進(jìn)一步表明，該橋成橋狀態(tài)下中跨線型基本與設(shè)計(jì)線型一致，且兩邊跨的鋪裝層厚度較中跨大。邊跨超過設(shè)計(jì)值的鋪裝層導(dǎo)致結(jié)構(gòu)恒載應(yīng)力增大，可能在后期引起更大的混凝土徐變下?lián)稀?/p>

圖8 鋪裝層厚度統(tǒng)計(jì)結(jié)果

在此情況下，通過監(jiān)控?cái)?shù)據(jù)分析對結(jié)構(gòu)運(yùn)營養(yǎng)護(hù)提出如下建議：(1)邊跨鋪裝厚度較大，中跨厚度與設(shè)計(jì)相差不大且略偏小，中跨橋面鋪裝的運(yùn)營質(zhì)量在后期檢查過程宜關(guān)注；(2)邊跨的鋪裝厚度大，在運(yùn)營過程中邊、中跨跨中均應(yīng)布置橋面高程長期觀測測點(diǎn)，便于后期定期地對主梁的高程進(jìn)行測試對比，以便及時(shí)發(fā)現(xiàn)大跨連續(xù)梁常見的主梁下?lián)蠁栴}。

上述監(jiān)控?cái)?shù)據(jù)的原始數(shù)據(jù)和統(tǒng)計(jì)結(jié)果，是結(jié)構(gòu)初始狀態(tài)的重要表征，并為后期養(yǎng)護(hù)提供了針對性的建議。

7 結(jié)論

以主跨150m的連續(xù)剛構(gòu)橋?yàn)槔?，分析了監(jiān)測數(shù)據(jù)驅(qū)動(dòng)下的施工控制技術(shù)要點(diǎn)，包括施工控制流程和測試方案，并提出了施工監(jiān)控?cái)?shù)據(jù)深度挖掘利用的內(nèi)容和方法。

(1)高墩大跨徑連續(xù)剛構(gòu)橋施工，需要重點(diǎn)監(jiān)控主墩施工過程中的垂直度和平面偏位、主梁施工中的線型。同時(shí)，施工監(jiān)控測點(diǎn)設(shè)計(jì)應(yīng)充分考慮監(jiān)控內(nèi)容的必要性和監(jiān)控?cái)?shù)據(jù)的冗余性。

(2)施工監(jiān)控?cái)?shù)據(jù)本身可利用對稱性或統(tǒng)計(jì)原理如“3σ準(zhǔn)則”等方法，自動(dòng)判別異常數(shù)據(jù)。

(3)通過數(shù)據(jù)自身的統(tǒng)計(jì)值如均值、最值、方差等指標(biāo)，可系統(tǒng)科學(xué)地表征結(jié)構(gòu)狀態(tài)。

(4)通過理論計(jì)算值、允許誤差、規(guī)范限制、趨勢誤差等指標(biāo)，可以綜合判斷結(jié)構(gòu)施工的安全。

通過大埠河大橋的工程實(shí)踐表明，加強(qiáng)監(jiān)測數(shù)據(jù)分析，可以充分利用冗余數(shù)據(jù)提高施工控制的可靠性，進(jìn)一步提升施工監(jiān)控對施工過程的協(xié)助作用。同時(shí)，合龍和成橋的結(jié)構(gòu)狀態(tài)監(jiān)測結(jié)果成為結(jié)構(gòu)后期管養(yǎng)的初始狀態(tài)數(shù)據(jù)。